現(xiàn)代電氣控制技術-應用設計

應用設計

7.1系統(tǒng)設計7.2程序設計7.3設計實例本章主要內(nèi)容：應用設計的基本知識系統(tǒng)設計，包括系統(tǒng)設計的步驟和幾種常用的設計方法程序設計，比較詳細地介紹在程序設計時功能流程圖的使用應用實例

本章要求對應用系統(tǒng)設計的方法和步驟掌握會用，重點是掌握程序設計方法中的功能流程圖法。返回本章首頁7.1系統(tǒng)設計

7.1.1系統(tǒng)設計原則7.1.2系統(tǒng)設計的步驟7.1.3系統(tǒng)硬件設計的若干問題返回本章首頁7.1.1系統(tǒng)設計的原則

在可編程序控制器控制系統(tǒng)的設計中，應該最大限度地滿足生產(chǎn)機械或生產(chǎn)流程對電氣控制的要求，在滿足控制要求的前提下，力求PLC控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、安全、可靠、操作和維修方便，而且應使系統(tǒng)能盡量降低使用者長期運行的成本。設計一個PLC控制系統(tǒng)有多種途徑：可以在原有的繼電接觸控制系統(tǒng)基礎上加以改造，形成可編程序控制器的控制系統(tǒng)。

返回本節(jié)7.1.2系統(tǒng)設計的步驟

1.熟悉被控對象2.制定控制方案

3.詳細描述控制對象

4.詳細描述操作員站

5.配置可編程序控制器6.程序設計

返回本節(jié)7.1.3PLC應用中的若干問題

一、PLC的使用及其型號選擇

工業(yè)控制現(xiàn)在趨向于使用可編程控制器。PLC的高可靠性、高抗干擾性、很強的自我糾錯和自我診斷能力已受到人們的普遍歡迎。而事實上PLC在實際應用中的引入對整個系統(tǒng)而言確實是大有裨益，但是在實際應用中也不是處處都適宜使用PLC。一方面其價格相對較高(最小配置也達千元以上)，盲目使用會使系統(tǒng)造價偏高；另一方面在某些控制系統(tǒng)中使用PLC中未必適合。比如下列情況就沒必要使用PLC：被控制系統(tǒng)很簡單，I/O點數(shù)很少。

I/O點數(shù)雖多，但控制并不復雜，各部分的聯(lián)系很少，此種情況使用用繼電器控制即可。

（1）系統(tǒng)的I/O點數(shù)很多，控制復雜，若用繼電器控制，要用大量的中間繼電器、時間繼電器和接觸器等器件；

（2）可靠性要求較高，繼電器控制無法達到；

（3）工藝流程/產(chǎn)品品種常變，需要經(jīng)常改變控制電路的結構或修改多項控制參數(shù)；（4）多臺設備的系統(tǒng)需要用同一個控制器控制；

（5）用繼電器控制的費用低于PLC，但兩者的費用已是同一數(shù)量級時。

下列情況應使用PLC：（1）.PLC型號的選擇

1.I/O點數(shù)問題當控制對象I/O點在60點之內(nèi)，I/O點數(shù)比為3/2時選用整體式(小型)PLC較為經(jīng)濟；當控制對象I/O點在100—200點左右，選用小型模塊式的較為合理；當控制對象I/O點在300點左右時，選中型PLC；

當控制對象I/O點在Y0點以上時就必須選用大型PLC。

2.I/O類型問題

I/O類型也是決定PLC選型的重要因素之一，一般而言，多數(shù)小型PLC只具有開關量I/O；PID、A/D、D/A、位控等功能一般只有大、中型PLC才有。

3.聯(lián)網(wǎng)通信問題

聯(lián)網(wǎng)通訊是影響PLC選型的重要因素之一，多數(shù)小型機提供較簡單的RS-232通訊口，少數(shù)小型PLC沒有通訊功能。而大中型PLC一般都有各種標準的通信模塊可供選擇。必須根據(jù)實際情況選擇適當?shù)耐ㄐ攀侄?，然后決定PLC的選型。

4.系統(tǒng)響應時間問題

系統(tǒng)響應時間也是影響PLC選型的重要因素之一。一般而言，小型PLC掃描時間為10—20ms/kb；中型PLC掃描時間為幾ms/kb；大型PLC掃描時間在1ms/kb以下。而系統(tǒng)響應時間約為2倍的掃描周期。根據(jù)實際要求進行分析，選擇恰當?shù)捻憫獣r間和PLC。

5.可靠性問題

應從系統(tǒng)的可靠性角度，決定PLC的類型和組網(wǎng)形式。比如對可靠性要求極高的系統(tǒng)，可考慮選用雙CPU型PLC或冗余控制系統(tǒng)/熱備用系統(tǒng)。6.程序存貯器問題

在PLC選型過程中，PLC內(nèi)存容量、型式也是必須考慮的重要因素。通常的計算方法是：I/O點數(shù)×8(開關量)+100×模擬量通道數(shù)(模擬量)+120×(1+采樣點數(shù)×0.25)(多路采樣控制)

內(nèi)存型式有CMOS(電容/電池保護的)、EPROM和E2PROM

總之，進行PLC選型時，不要盲目地追求過高的性能指標。另外，I/O點數(shù)，存貯容量應留有一定的余量以便實際工作中的調整。（2）、開關量I/O模塊的選擇

外部接線方式問題

I/O模塊一般分為獨立式、分組式和匯點式。通常，獨立式的點均價格較高，如果實際系統(tǒng)中開關量輸入信號之間不需隔離可考慮選擇后兩種。點數(shù)問題前面所說，點數(shù)是影響PLC選型的重要因素，同樣在進行I/O模塊的選型時也必須根據(jù)具體點數(shù)的多少選擇恰當?shù)腎/O模塊。通常I/O模塊有4、8、16、24、32、64點幾種。一般而言，點數(shù)多的點均價就低。

開關量輸入模塊

通常的開關量輸入模塊類型有有源輸入、無源輸入、光電接近傳感器等輸入。進行開關量輸入模塊的選型時必須根據(jù)實際系統(tǒng)運行中的要求綜合考慮。當然，具體到有源輸入模塊還分為AC輸入、DC輸入和TTL電平輸入。

AC電壓等級24V、120V、220VDC電壓等級24V、48V、10~60VAC/DC電壓等級24V。開關量輸出模塊

通常的開關量輸出模塊類型有繼電器輸出、可控硅輸出和晶體管輸出。在開關量輸出模塊的選型過程中，必須根據(jù)實際系統(tǒng)運行要求及要求輸出的電壓等級進行相應的選型。

（3）、編程手段的選擇

便攜式簡易編程器：一般的應用場合選它較多，特別是當控制規(guī)模小，程序簡單的情況下，使用較為合適。圖形(GP)編程器：此種編程方法適用于中、大型PLC，此方法除具有輸入、調試程序功能外，還具有打印程序等功能。但價較高，一般情況不必采用。PC機及編程軟件包：這是PLC的一種很好的編程方法，具有功能強、成本低(因為很普及)以及使用方便等特點。

二：降低PLC系統(tǒng)費用的方法

一般，PLC系統(tǒng)的價格約有40—60%的費用是用于I/O模塊及其輔助設備(如電源、擴展機架等)，當前PLC的I/O點均價高達100元/點左右。所以減少所需I/O點數(shù)是降低PLC系統(tǒng)費用的主要措施之一。一、減少模塊的數(shù)量二、減少輸入點減少輸入點可以有效的減少與此相關的費用，主要體現(xiàn)在軟硬件的調整上。常用的方法有如下幾種：

（1）、操作功能相同的輸入信號合并

如下圖所示，左邊的示意圖從功能上可用右圖替代，而且減少了一個輸入點。

X0X1X0……X1X0X0……圖6-1

輸入信號合并（2）、去掉多余的輸入信號

在實際系統(tǒng)集成的過程中，有許多冗余接線完成的功能，通過適當調整接線、程序，所完成的功能相同，但卻少開銷了PLC的輸入點。如下圖所示，左圖中兩位開關處于上/下觸點表示的分別是手動/自動狀態(tài)，而右圖完成的功能與左圖相同，只是程序稍作改動。

X0X1手動自動手動自動X0……X0……X1自動手動……X0……X0手動自動圖6-2去掉多余信號（3）、無需接入PLC的信號不要接入

圖6-3所示，左圖中開關KA斷

/合分別導致交流接觸器KM的線圈激勵/不激勵。相同的功能可簡單地由右圖完成，無需開銷PLC的I/O點。

X0Y0X0Y0KAKMKMLKAN

圖6-3無需接入PLC的信號三、減少輸出點

狀態(tài)指示燈與輸出命令并聯(lián)

注意：并聯(lián)時指示燈與負載的額定電壓應相同，總電流不應超過PLC允許的值。

Y0Y1×Y0Y1Y0×Y0圖6-6數(shù)字顯示器代替指示燈用PLC的一個輸出點控制指示燈常亮或閃爍，可以顯示兩種不同的信息。

減少輸入/輸出點的方法還有好多，這里就不一一列舉了。

Y0××………只有1個燈亮×………Y0個位12481248十位用數(shù)字顯示圖6-7Y1Y17Y3Y4Y77.2程序設計

7.2.1功能流程圖概述

7.2.2由功能流程圖到程序

返回本章首頁程序設計的內(nèi)容包括：編寫程序、編譯程序、模擬運行及調試程序等。

程序設計的方法是指用什么方法和編程語言來編寫用戶程序。程序設計有多種方法：如果控制系統(tǒng)是改造原有成熟的繼電接觸控制系統(tǒng)，則可由電氣控制電路圖很容易地轉化為梯形圖，生成控制程序。

本節(jié)主要介紹功能流程圖法。

7.2.1功能流程圖概述

功能表圖是一種能很好解決上述問題的程序設計方法，它是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能、特性的一種圖形，它最初很象一種工藝性的流程圖，它并不涉及所描述的控制功能之具體技術，是一種通用的技術語言。這種設計方法很容易被初學者接受，對有一定經(jīng)驗的技術人員而言也會提高設計效率，有資料稱這種設計方法可減少2/3的設計時間，且用此法設計出的程序調試、修改、閱讀也很容易。功能表圖法在PLC程設中有兩種用法：

(1)直接根據(jù)功能表圖的原理研制PLC，即將功能表圖作為一種編程語言直接使用，目前已有此類產(chǎn)品，多數(shù)應用在大、中型PLC上，其編程主要通過CRT終端，直接使用功能表圖輸入控制要求。(2)用功能表圖說明PLC所要完成的控制功能，然后再據(jù)此找出邏輯關系并畫出梯形圖。這種應用法較多，本節(jié)主要討論這種方法。

1.組成

（1）步步是控制系統(tǒng)中的一個相對不變的性質，它對應于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。在功能流程圖中步通常表示某個執(zhí)行元件的狀態(tài)變化。步用矩形框表示，框中的數(shù)字是該步的編號，編號可以是該步對應的工步序號，也可以是與該步相對應的編程元件（如PLC內(nèi)部的通用輔助繼電器、步標志繼電器等）。步的圖形符號如圖7.1（a）所示。初始步初始步對應于控制系統(tǒng)的初始狀態(tài)，是系統(tǒng)運行的起點。一個控制系統(tǒng)至少有一個初始步，初始步用雙線框表示，如圖7.1（b）所示。圖7.1步和初始步動步、：靜步是指控制系統(tǒng)當前沒有運行的步。動步是指控制系統(tǒng)當前正在運行的步。動步用1個小黑點放在步的方框圖中表示，見圖5-3。動步、靜步是系統(tǒng)分析時用的術語，平時進行程設時并不用。

圖5-3動步符號N·靜步步對應的動作：步是一個穩(wěn)定的狀態(tài)，表示過程中的一個動作。在該步的右邊用1個矩形框表示，見圖5-4，當一個步對應多個動作時，可用圖5-5表示。

圖5-4與步對應動作的表示方法N動作圖5-5一步對應多個動作的表示方法N動作A動作BN動作A動作B有向線：在控制系統(tǒng)中動步是變化的，會向前轉移的，轉移的方向是按有向線規(guī)定的路線進行，習慣上是從上到下、由左至右；如不是上述方向，應在有向線上用箭頭標明轉移方向。轉移條件：動步的轉移是有條件的，轉移條件在有向線上劃一短橫線表示，見圖5-6，橫線旁邊注明轉移條件。若同一級步都是動步，且該步后的轉移條件滿足，則實現(xiàn)轉移，即后一靜步變?yōu)閯硬?，原來的動步變?yōu)殪o步。

(2)有向線和轉移圖7.2轉移（3）動作說明一個步表示控制過程中的穩(wěn)定狀態(tài)，它可以對應一個或多個動作?？梢栽诓接疫吋右粋€矩形框，在框中用簡明的文字說明該步對應的動作，如下圖7.3所示。圖中（a）表示一個步對應一個動作；圖（b）和（c）表示一個步對應多個動作，兩種方法任選一種。2.使用規(guī)則

（1）步與步不能直接相連，必須用轉移分開；（2）轉移與轉移不能直接相連，必須用步分開；（3）步與轉移、轉移與步之間的連線采用有向線段，畫功能圖的順序一般是從上向下或從左到右，正常順序時可以省略箭頭，否則必須加箭頭。（4）一個功能圖至少應有一個初始步。3.結構形式

（1）順序結構

（2）分支結構

選擇性分支

并發(fā)性分支

（3）循環(huán)結構

（4）復合結構

（1）順序結構(單一序列)圖7.4順序結構單一序列：單一序列由一系列前后相繼激活的步組成，每步的后面緊接一個轉移，每個轉移后面只有一個步，（2）分支結構圖7.5選擇性分支選擇序列：選擇序列的開始稱為分支，見圖(b)，轉移符號只能標在水平連線之下。如果步5是活動的，并且轉移條件e＝1，則發(fā)生由步5→步6的進展。59611(b)efg（2）分支結構圖7.5選擇性分支選擇序列的結束稱為合并，見圖(c)。幾個選擇序列合并到一個公共序列時，轉移符號和需要重新組合的序列數(shù)量相同，轉移符號只允許標在水平連線之上。如果步7是活動步，并且轉移條件m＝1，則發(fā)生由步7→步13的進展。如果步8是活動步，并且n=1,則發(fā)生由步8→步13的進展。

781213(c)mnp并發(fā)性分支

圖7.6并發(fā)性分支并發(fā)序列：并發(fā)序列的開始稱為分支，見下圖。當轉移的實現(xiàn)導致幾個序列同時激活時，這些序列稱為并發(fā)序列。當步3是活動的，并且轉移條件d＝1時，步4、步6、步8這三步變?yōu)榛顒硬?。同時步3變?yōu)殪o步。為了強調轉移的同步實現(xiàn)。水平連線用雙線表示。步4、步6、步8被同時激活后，每個序列中活動步的進展是獨立的。在表示同步的水平雙線之上。只允許有一個轉移符號。3468d(a)（3）循環(huán)結構

循環(huán)結構用于一個順序過程的多次或往復執(zhí)行。功能圖畫法如圖7.7所示，這種結構可看作是選擇性分支結構的一種特殊情況。

圖7.7并發(fā)性分支（4）復合結構

圖7.8功能流程圖舉例返回本節(jié)例子：

圖5-9是一個三工位鉆床的工作臺示意圖。圖5-10是該工作臺控制系統(tǒng)的功能表圖。步1是初始步，按下起動按鈕后，三個工位同時工作。一個工位將工件送到圓形工作臺上，然后送料推桿退回。另一個工位將工件夾緊并鉆孔，鉆完后鉆頭向上返回初始位置并松開工件。在第三個工位用深度計測量加工的孔是否合格：如果合格，則測量頭上升，并自動卸下加工好的工件。鉆孔卸工件返回返回裝工料圖5-9工作臺示意圖然后卸料桿返回；如果不合格，測量頭返回后人工取走次品，并用按鈕發(fā)出人工卸料完成的信號。三個工位的操作都完成以后，工作臺順時針旋轉120℃，最后系統(tǒng)返回初始步。步4、步9、步14并不完成什么動作，是為同時結束三個并發(fā)步而設置的等待步。圖5-10中水平雙線之下的轉移條件“=1”表示轉移條件總是滿足的，即只要步4、步9、步14都是活動的，就會發(fā)生步4、步9、步14到步17的轉移，步4、步9、步14變?yōu)殪o步，而步17變?yōu)榛顒硬?。三工位鉆床控制系統(tǒng)功能表圖2345678911121314101516送料推桿推料到位送料推桿返回推桿初始位夾具夾緊已夾緊下鉆鉆到位提鉆升到頂夾具松開已松開測頭下探定時2，2.1秒探到底,且2<T<2.1秒測頭上升卸料桿撥升到頂卸畢卸料桿返回卸料桿初始位探到底,但T<2.0秒或T≥2.1秒測頭上升升到頂人工卸料卸完按鈕17↑1工作臺旋轉120°=1圖5-10三工位鉆床控制系統(tǒng)功能表圖起動7.2.2由功能流程圖到程序

1.邏輯函數(shù)法

2.功能流程圖實例

3.步標志繼電器法

一.邏輯函數(shù)法

（1）通用輔助繼電器的邏輯函數(shù)式

（2）執(zhí)行元件的邏輯函數(shù)式

（3）由邏輯函數(shù)式畫梯形圖

（1）通用輔助繼電器的邏輯函數(shù)式函數(shù)規(guī)則：除第一步外，每一步用一個通用輔助繼電器（以下簡稱繼電器）表示本步是否被執(zhí)行，即步狀態(tài)。如圖7.9所示。

圖7.9步與繼電器（2）執(zhí)行元件的邏輯函數(shù)式圖7.8中的Yj、Yk、Yp分別表示這3個步所對應的動作或輸出，可以是執(zhí)行元件或其他繼電器，也可以是指令盒。一般情況下，一個步對應一個動作，當功能流程圖中有多個步對應同一個動作時，其輸出可用這幾個步對應的繼電器“或”來表示。（3）由邏輯函數(shù)式畫梯形圖可由每個邏輯函數(shù)式中的與或邏輯關系，用串聯(lián)或并聯(lián)觸點對應線圈的形式畫出所有梯級的梯形圖。

（1）寫通用輔助繼電器的邏輯函數(shù)式

（2）寫執(zhí)行元件的邏輯函數(shù)式

（3）由邏輯函數(shù)式畫梯形圖

二功能流程圖實例用起動優(yōu)先規(guī)則。(圖見下頁）（1）寫通用輔助繼電器的邏輯函數(shù)式

返回本節(jié)（2）寫執(zhí)行元件的邏輯函數(shù)式

圖7.9中除步M00.2和步M00.6對應同一個執(zhí)行元件輸出觸點外，其他每一步對應一個不同的執(zhí)行元件輸出觸點。多步對應一動作f(Q0.2)=M00.2+M00.6一步對應一動作f(Q0.0)=M00.0 f(Q0.3)=M00.3f(Q0.5)=M00.7 f(Q1.0)=M01.1其他輸入點的邏輯函數(shù)式寫法也都用相同方式。（3）由邏輯函數(shù)式畫梯形圖

根據(jù)上述邏輯函數(shù)式可畫出對應的梯形圖，如右圖7.10所示。為節(jié)省篇幅，本程序中的所有標題欄Network都省略，且只列出了部分輸出。圖7.10轉化為梯形圖(1)圖7.10轉化為梯形圖(2)3.1.步標志繼電器法

3.1順序控制指令介紹順序控制指令是PLC生產(chǎn)廠家為用戶提供的可使功能圖編程簡單化和規(guī)范化的指令.順序控制指令的操作對象為順序控制繼電器S,S也稱為狀態(tài)器,每一個S位都表示功能圖中的一種狀態(tài).（1）段開始（2）段轉移（3）段結束

(1)LSCR指令標記一個SCR段的開始,當該段的狀態(tài)器置位時,允許該SCR段工作(2)3.1.1順序控制指令當SCRT指令的輸入端有效時,一方面置位下一個SCR段的狀態(tài)器,以便使下一個SCR段開始工作,另一方面又同時使該段的狀態(tài)器復位,使該段停止工作(3)從SCRT指令開始到SCRE指令結束的所有指令組成一個順序控制繼電器(SCR)段.SCR段必須用SCRE指令結束.3.1.2SCR程序段的功能:(1)驅動處理即在該段狀態(tài)器有效時,要做什么工作,有時也可能不做任何工作(2)指定轉移條件和目標即滿足什么條件后狀態(tài)轉移到何處(3)轉移源自動復位功能狀態(tài)發(fā)生轉移后,置位下一個狀態(tài)的同時,自動復位原狀態(tài)3.1.3使用說明(1)順控指令僅對S有效,順序繼電器S也具有一般繼電器功能,所以對它能夠使用其他指令(2)SCR段程序能否執(zhí)行取決于該狀態(tài)器(S)是否被置位,SCRE與下一個LSCR之間的指令邏輯不影響下一個SCR段程序的執(zhí)行(3)不能把同一個S位用于不同程序中,例如:如果早主程序中用了S0.1,則在子程序中就不能再使用它(4)在SCR段中不能使用JMP和LBL指令,就是說不允許跳入,跳出或在內(nèi)部跳轉,但可以在SCR段附近使用跳轉和標號指令(5)在SCR段中不能使用FOR\NEXT和END指令(6)在狀態(tài)發(fā)生轉移后,所有的SCR段的元器件一般也要復位,如希望繼續(xù)輸出,可使用置位/復位指令(7)在使用功能圖時,狀態(tài)器的編號可以不按順序編排圖7.11順序繼電器指令（1）3.2步標志繼電器法圖7.11順序繼電器指令（2）返回本節(jié)7.3設計實例

1.系統(tǒng)描述

2.制定控制方案

3.系統(tǒng)配置及輸入輸出對照表

4.設計主電路及PLC外部接線圖

5.設計功能流程圖

6.建立步與繼電器對照表

7.寫邏輯函數(shù)式

8.畫梯形圖

返回本章首頁1.系統(tǒng)描述

1.系統(tǒng)描述設計一個3工位旋轉工作臺，其工作示意如圖7.12所示。三個工位分別完成上料、鉆孔和卸件。（1）動作特性工位1：上料器推進，料到位后退回等待。工位2：將料夾緊后，鉆頭向下進給鉆孔，下鉆到位后退回，退回到位后，工件松開，放松完成后等待。工位3：卸料器向前將加工完成的工件推出，推出到位后退回，退回到位后等待。（2）控制要求通過選擇開關可實現(xiàn)自動運行、半自動運行和手動操作。注明:手動操作:就是用按鈕對被控對象的每一步運動單獨進行控制半自動運行:被控對象從原點開始,按一下啟動按鈕,被控對